微波爐加熱清水之新路徑探究

摘 要：微波爐是我們平時(shí)常用的加熱食品的工具，而現(xiàn)在網(wǎng)上頻繁傳出用微波爐加熱水，導(dǎo)致水體暴沸致人受傷事件。本文從水的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析水加熱過(guò)程及沸騰現(xiàn)象的微觀機(jī)理。從而解釋過(guò)熱液體及暴沸現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，探究微波爐燒水導(dǎo)致水體過(guò)熱的深刻內(nèi)涵。并提出解決此現(xiàn)象的科學(xué)方法，加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：過(guò)熱液體； 暴沸； 汽化核； 麥飯石

中圖分類號(hào)：R123.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2012）01-175-002

一、關(guān)于液體汽化理論的解釋

沸騰過(guò)程。在傳統(tǒng)的燒水方式中，所使用容器（水壺）內(nèi)表面是帶有大量微小孔洞的，這些孔洞中存有肉眼不可見(jiàn)的氣泡。這些氣泡的尺寸相對(duì)于水分子很大。其表面相對(duì)于水分子而言與整個(gè)水體表面無(wú)二。在加熱水時(shí)，水分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，小氣泡附近具有較大動(dòng)能的分子逃逸至小氣泡內(nèi)。這些小氣泡起到了汽化核的作用。[1]當(dāng)水溫升至沸點(diǎn)時(shí)，小氣泡附近大動(dòng)能分子涌入這些小氣泡內(nèi)，使得小氣泡迅速膨脹。在浮力的作用下小氣泡最終浮出水面將其內(nèi)部分子及其所攜帶的能量釋放到空氣中，形成沸騰現(xiàn)象。而在原小氣泡處，會(huì)殘留一小部分空氣附著于器壁之上而繼續(xù)充當(dāng)汽化核，以使液體持續(xù)沸騰。

過(guò)熱液體形成?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如果足夠量的水被加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，容器壁上所貯存的小氣泡幾乎消耗殆盡。這時(shí)，液體內(nèi)部的分子，因沒(méi)有足夠的空間拉大彼此之間的的距離，而不能變?yōu)闅鈶B(tài)。[2]僅靠蒸發(fā)所帶走熱量不能平衡水體于外界吸收的熱量。能量囤積于水內(nèi)部，使得水溫超過(guò)沸點(diǎn)也不沸騰，即形成了過(guò)熱液體。此時(shí)，當(dāng)外界施加一輕微擾動(dòng)（如：雜質(zhì)混入水中或水體輕微震動(dòng)）于水體，看似平靜的水便會(huì)立刻爆炸似的沸騰起來(lái)——暴沸。其原因?yàn)椋簲_動(dòng)會(huì)使得少量空氣混入水中，液體內(nèi)部出現(xiàn)汽化核。此時(shí)，大量水分子會(huì)涌入氣體內(nèi)部，變?yōu)闅鈶B(tài)，并大量放熱，使水溫回歸沸點(diǎn)。

假定有這樣一個(gè)容器，其內(nèi)表面足夠光滑而無(wú)法貯存任何微小氣泡，在以這樣的容器燒水時(shí)，由于水內(nèi)部沒(méi)有小氣泡所充當(dāng)?shù)钠?，?dāng)加熱足夠長(zhǎng)的時(shí)間，致使其形成過(guò)熱液體。此時(shí)人無(wú)法根據(jù)液體是否沸騰而判斷其溫度，貿(mào)然將盛水容器取出，難免不使其發(fā)生晃動(dòng)，使過(guò)熱液體暴沸，此時(shí)高溫液滴飛濺，有可能對(duì)人身造成傷害。近些年來(lái)，網(wǎng)上頻傳以微波爐燒水導(dǎo)致水體暴沸致人受傷事件屢有傳出。下面，我們結(jié)合上邊對(duì)水汽化微觀機(jī)理的分析以及微波爐的加熱原理來(lái)分析這種情況發(fā)生的內(nèi)在原因。

二、微波爐加熱原理及麥飯石原料的引入

眾所周知，微波爐是以微波來(lái)對(duì)食物進(jìn)行加熱的裝置。在其工作時(shí)，會(huì)釋放出微波輻射爐腔內(nèi)的食物。由于（食物內(nèi)的）水分子為極性分子，在微波的作用下，其極化取向會(huì)不斷變化導(dǎo)致其振動(dòng)頻率隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致其周圍分子的振動(dòng)加快，從而使食物溫度升高。而微波爐用加熱器具多為玻璃或陶瓷制器皿，由于容器內(nèi)表面光滑，不能貯存微小氣泡，即沒(méi)有汽化核，而無(wú)法出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。由于沒(méi)有沸騰現(xiàn)象，我們便不能判斷液體的具體溫度，從而發(fā)生過(guò)熱液體暴沸的危險(xiǎn)情形對(duì)人體造成傷害。為證實(shí)如上論斷以下將對(duì)以往研究經(jīng)驗(yàn)予以簡(jiǎn)要描述，進(jìn)而在此基礎(chǔ)之上，找到一種恰切的解決方案。

在制取乙烯的試驗(yàn)中[3]，為防止液體暴沸，要向液體內(nèi)放入少量沸石或碎瓷片。其原理在于:沸石或是碎瓷片一般具有多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部可貯存有有一定量的小氣泡，這些小氣泡充當(dāng)汽化核。根據(jù)以上分析，我們同樣可以在用微波爐加熱水時(shí)，在水中加入少量沸石或是碎瓷片防止暴沸現(xiàn)象。但出于衛(wèi)生原因，以上兩者不能為燒水所用。但通過(guò)對(duì)比，我們可用一種神奇的石頭——中華麥飯石來(lái)取代沸石或是碎瓷片。

麥飯石是一種天然藥物礦石。科學(xué)研究表明：麥飯石具有多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，并含有大量人體所需的微量元素。[4]且于《本草綱目中》記載：“麥飯石氣味甘溫?zé)o毒，主治一切癰疽發(fā)背”。[5]在加熱水時(shí)向其中投入麥飯石，可起到與沸石相同的作用，其孔洞狀結(jié)構(gòu)可吸附水中的雜質(zhì)起到凈化水體的作用。麥飯石浸沒(méi)于水中時(shí)，其所含有的微量元素會(huì)溶入水中，從而使得水對(duì)人體大有裨益。因此，在為節(jié)省時(shí)間而選用微波爐燒水時(shí)，可向水中加入少量麥飯石塊。這樣在方便快捷燒水的同時(shí)，消除了水體暴沸所帶來(lái)的安全隱患，而且使得燒出來(lái)的水富含微量元素。為證實(shí)這一操作的可行性，作者設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

用微波爐-麥飯石塊-干凈玻璃杯-溫度計(jì)（0℃-200℃）進(jìn)行如下操作：

1.用水壺?zé)敝翂貎?nèi)的水沸騰，并維持一段時(shí)間。在此期間內(nèi)測(cè)量水的溫度——水的沸點(diǎn)為100℃。并觀察到液體內(nèi)部出現(xiàn)氣化現(xiàn)象時(shí)，小氣泡總是在容器內(nèi)表面出現(xiàn)。

2.向干凈玻璃杯中加入35mL自來(lái)水（約占杯子容積的1／4），并將其放入微波爐中加熱6min左右。維持溫度計(jì)示數(shù)于沸點(diǎn)附近。加熱完畢后，將水杯迅速平穩(wěn)的從微波爐中取出，在將其端出時(shí)，水體小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。立即用溫度計(jì)測(cè)量水的溫度。觀察到溫度計(jì)示數(shù)先增大后減小且最高可達(dá)105.8℃。并且在溫度計(jì)插入液面以下時(shí)，可明顯地觀察到在溫度計(jì)周圍水域中，有氣泡冒出。原因在于玻璃容器表面光滑，無(wú)法在其表面儲(chǔ)存充當(dāng)氣化核的小氣泡，故水不會(huì)沸騰。而在取出的過(guò)程中，手的抖動(dòng)導(dǎo)致水面的晃動(dòng)，使得外界少量氣體混入水中，故而此過(guò)程中在水表面附近出現(xiàn)局域沸騰現(xiàn)象。在測(cè)量其溫度時(shí)，少量氣體會(huì)隨著溫度計(jì)進(jìn)入水中，故而在溫度計(jì)附近出現(xiàn)局域沸騰現(xiàn)象。且將水杯從爐腔內(nèi)取出的過(guò)程中，系統(tǒng)必然向外散熱，溫度計(jì)的示數(shù)表明，在水杯從微波爐取出后的小段時(shí)間內(nèi)，水溫明顯高于沸點(diǎn)。可以預(yù)見(jiàn)，在微波爐停止加熱時(shí)，水溫應(yīng)明顯高于其沸點(diǎn)。從而印證了剛從微波爐中取出的水是過(guò)熱液體。

3.再于此杯中加入35mL自來(lái)水（約占杯子容積的1／4）并放入微波爐中加熱6min左右，在加熱過(guò)程中，透過(guò)微波爐玻璃窗觀察到杯內(nèi)水體很平靜。加熱完畢后，將水杯迅速平穩(wěn)地從微波爐中取出，水體依然平靜，隨后迅速向水中加入少量咖啡末，觀察到水立刻爆炸式地沸騰起來(lái)，且由原杯1/4處迅速上涌并溢出至杯外，并隨有少量液滴飛濺。而后水面迅速下降。說(shuō)明在加入咖啡末時(shí)，會(huì)向水中帶入大量的空氣，這些空氣充當(dāng)了原水中缺乏的氣化核，使得處于過(guò)熱狀態(tài)的水，發(fā)生了暴沸現(xiàn)象并放出大量的能量，致使其自身溫度降低至沸點(diǎn)以下。

4.將此杯洗凈，并在杯中投入2-3塊麥飯石塊。并向水杯中加入自來(lái)水，使總體積達(dá)到220mL。

將水杯放到微波爐內(nèi)加熱10min左右。在此過(guò)程中，透過(guò)微波爐小窗子觀察，在加熱過(guò)程后期，可明顯觀察到杯中水出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。待加熱完畢后，在打開(kāi)爐門仍可觀察到沸騰現(xiàn)象，且氣泡由麥飯石表面溢出，將杯子迅速平穩(wěn)的從爐腔中取出，向其中加入咖啡末，水中只有極微量氣泡冒出，而觀察不到暴沸現(xiàn)象。說(shuō)明：向水中加入麥飯石可有效地避免液體過(guò)熱現(xiàn)象。因而，我們可以根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)大致判斷水的溫度，進(jìn)而有效地避免過(guò)熱液體對(duì)人體造成傷害。同時(shí)也證實(shí)了，并不是微波輻射的加熱方式，使水發(fā)生液體過(guò)熱現(xiàn)象。

三、簡(jiǎn)要結(jié)論

通過(guò)以上理論分析及實(shí)驗(yàn)操作可知：在以微波爐燒水時(shí)，容器表面過(guò)于光滑，致使其無(wú)法貯藏微小氣泡即不存在氣化核。長(zhǎng)時(shí)間加熱，必導(dǎo)致水體過(guò)熱，而非微波爐加熱方式所致。向水中投入少量干凈的麥飯石可防止這種現(xiàn)象發(fā)生使水沸騰。這樣既保證了水可以正常沸騰，同時(shí)還保留了能源利用率更高，更環(huán)保，耗時(shí)更短等優(yōu)點(diǎn)，且當(dāng)麥飯石在水中浸泡后，其內(nèi)部微量元素?cái)U(kuò)散至水中，使得水體富含營(yíng)養(yǎng)，對(duì)人體大有裨益。

從微波爐的發(fā)明至今已有60余年[6]的歷史，如今它已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，給尋常百姓的生活帶來(lái)了便利。沸騰更是常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。而正是由于我們對(duì)這些習(xí)以為常的事物并不甚了解，才致使安全隱患隱藏在我們周圍。一塊麥飯石，不僅能為我們除去這潛在的隱患，而且還會(huì)為我們帶來(lái)意想不到的驚喜。這無(wú)不提醒我們，要對(duì)平時(shí)習(xí)慣了的東西多加思考，充分了解其本質(zhì)，利用自己所掌握的科學(xué)知識(shí)去解釋生活中的一切，改變自己的生活，使生活變得更加美好。

參考文獻(xiàn)：

[1]項(xiàng)賢民．分子動(dòng)理論對(duì)水的沸騰現(xiàn)象的解釋，載于《物理教師》，2002年，第23卷，第九期

[2]秦允豪．熱學(xué)，高等教育出版社2001年版，第314頁(yè)

[3]全日制普通高級(jí)中學(xué)化學(xué)教科書（必修加選修）第二冊(cè)，人民教育出版社，2003年6月第一版，第122頁(yè)

[4]王銀葉，馬玉蘭，史艷嬌．活性麥飯石孔結(jié)構(gòu)的探討及應(yīng)用，載于《天津化工》，2003年3月（第17卷），第2期

[5]李時(shí)珍．本草綱目金陵本，總52卷，第08冊(cè)，石部第十卷，石之四

[6]第一臺(tái)家用微波爐于雷聲公司于1947年推出